CN113070001B - 气液分配装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气液分配装置，包括反应器器壁及沿反应器器壁自上而下设置的分布板、溢流管和分配盘；分布板为平板，形状与反应器截面形状一致，支撑于反应器器壁上，板上开设导流孔；溢流管为两端敞口的圆管，其下端固定于分配盘的安装孔上，其管壁上沿周向均匀开设溢流孔作为液相通道；溢流管上端为自由端，位于分布板下方，正对着分布板上各导流孔之间未开孔区域的中心处并被所述的未开孔区域完全遮挡。相比于目前常用的将溢流管逐个进行封堵的方案，分布板在同样可以实现阻挡上部液相直接进入溢流管的目的时，加工量小，制造周期短，成本低。本发明还使气液两相接触时间延长，促进气相在液相中的溶解，同时有效避免了溢流管内壁流现象。

Description

气液分配装置

技术领域

本发明属于石油炼制和化工设备领域，涉及一种反应器内构件，具体地说，涉及一种气液分配装置。

背景技术

近年来，随着石化产品质量标准的逐渐升级和环保法规的日益严格，加氢技术在炼油工业中发挥着越来越重要的作用，加之对原料油“吃干榨尽”的要求，国内外炼油企业为提高经济效益和应对环保的要求，迅速扩大各类油品加氢处理能力。

加氢处理关键核心设备为加氢反应器，在加氢反应器内部，一定比例氢气(气相)和原料油(液相)的混合物在一定温度和压力下，借助催化剂的作用，完成各类加氢反应。固定床加氢反应器作为加氢反应器一种重要的类型，气液混合物流并流向下通过催化剂床层进行反应。由于加氢反应是气、液、固三相存在的强放热反应，如果催化剂床层入口处的物流分配不均匀，催化剂床层物流就会形成“局部偏流”或“局部轴向沟流”，床层截面上各点反应快慢不一致，导致床层出现局部过热，影响产品的质量，催化剂在温度过高时会失活甚至结焦、板结。另外，液相流中氢气溶解度较低或液相物流接触不到氢气等“缺氢”条件下反应器内会发生缩聚、缩合等“有害反应”，导致催化剂失去活性，阻碍装置的平稳运行。因此，为了使催化剂性能稳定和装置平稳运行，需要在催化剂床层上方设置分配盘，分配盘上设置多组气液分配器，一方面提高氢气在液相流中的溶解度，另一方面将催化剂上方的气液两相均匀、快速地分配到整个反应器截面上。加之，目前反应器正朝着大型化的方向发展，对整个反应器截面气液均匀分配带来更大的挑战，气液均匀分布的要求更加迫切。

现有的气液分配器按液相进入气液分配器的方式，可分为三类：溢流型、抽吸型和二者混合型。溢流型气液分配器的主要特点是压降小，尺寸小，单位面积等效分配器个数多，气相与液相流动方向基本为垂直，结构简单，制造难度较低，适用于高粘度介质，缺点是对分配盘安装水平度的要求较苛刻。抽吸型分配器主要是泡帽型结构分配器，依靠气体在泡帽条缝处的抽吸作用，把液体冲碎成液滴并被气体携带进入中心管，实现气液混合和分配，但存在液相流通面积较小、分配盘压降较大、操作弹性较低的问题，并且对粘度大的介质适应性差。混合型气液分配器是在中心管的中下部下设溢流孔，其压降性能和操作弹性较单纯的溢流型和抽吸型气液分配器均有所改善，但是分配性能有所下降。

美国专利US3524731公开了一种溢流型长短管气液分配器，从局部看，气液分配不均匀，但通过整个气液分配盘上多对长短管的组合，气液两相基本上能实现均匀分布。中国专利CN200520032630.3公开了一种溢流型分配器，为V型开口气液分面器，更适用于大型加氢反应器使用；中国专利CN205216800U公开了一种溢流型分配器，以喉管状结构扩大气液相喷洒范围；中国专利CN201220737754.1公开了一种溢流-喷射管型分配器，促进了气液两相的混合，但分配器高度相对较高。中国专利CN202010857570.8公开了一种气液分配装置，采用伞帽阻止上部液相直接进入溢流管，确保全部液相须经溢流管上的液相通道进入溢流管，消除上部液相的不均匀带来的下部液相分配不均匀现象，但在气液分配装置数量较多时存在加工量大、制造周期长的缺点。

上述气液分配器都有各自的优点和使用范围，但总体来说存在气相雾化液相能力较差、气相与液相接触时间短、气在液相中溶解度低、气液两相喷洒面积小、气液分配器管内壁流严重、制造工作量大等问题，需要进一步改进。

发明内容

为了解决现有技术存在的气相雾化液相能力较差、气相与液相接触时间短、气在液相中溶解度低、气液两相喷洒面积小、气液分配器管内壁流严重、制造工作量大等技术问题，本发明提供了一种气液分配装置，可以更方便实现气液两相的均匀分配，增大气液两相的接触，促进气液两相的雾化效果，减少气液分配器管内的壁流现象。

本发明提供的气液分配装置包括反应器器壁及沿反应器器壁自上而下设置的分布板、溢流管和分配盘；分布板为平板，形状与反应器截面形状一致，支撑于反应器器壁上，板上开设导流孔；溢流管为两端敞口的圆管，其下端固定于分配盘的安装孔上，其管壁上沿周向均匀开设一层或两层或多层溢流孔作为液相通道；溢流管上端为自由端，位于分布板下方，正对着分布板上各导流孔之间未开孔区域的中心处并被所述的未开孔区域完全遮挡。

所述分布板主要起收集上部气液两相的作用，分布板上开设导流孔，供收集于分布板上的气液两相通过分布板。导流孔可以为圆形、方形等任意形状，从便于加工的角度来说，导流孔宜为圆孔，圆孔直径为15～300mm；从利于液相均匀分布的角度，导流孔宜按正方形、正三角形或菱形等方式排列。从便于加工、更均匀分配的角度，导流孔宜按正方形方式排列。

所述溢流管直径一般为20～200mm，溢流管管壁上的溢流孔可以为圆孔也可为条缝或其它任何形状，从加工方便的角度，溢流孔宜为圆孔。溢流孔为等距开设，每层设2～10个开孔，开孔直径为2～30mm，上下相邻两层溢流孔交错排布。若设置为两层或多层溢流孔，沿溢流管管壁从上至下开孔尺寸宜逐层减小，这样设置的目的是最下层(最常用的)液相通道中液相流速大，减少溢流管内的壁流，使液相尽可能往溢流管中心喷射。上层开孔大，则在液相增多的情况也可以通过上层的较大开孔，尽快完成液相分配，液相过高的极端情况下，液相也可通过气相通道进入溢流管并完成分配。

作为一种改进的方案，分布板上导流孔内可安装导流管，导流管形状与导流孔一致，导流管上下两端均突出于分布板上下表面，导流管上端伸出分布板10～200mm，导流管下端伸出分布板20～200mm。导流管的主要作用是导流、使气液两相通过，防止液相沿着分布板下侧发生壁流、滴流等无规律流动而可能直接进入溢流管中，确保收集的气液全部收集到分配盘上。

在设置导流管的情形下，作为一种改进，溢流管上的溢流孔正对导流管的轴线位置。如果导流孔按正方形方式排列，则溢流管上同层溢流孔大小相同，这是由于溢流管到任意相邻的导流管距离相同，液体的沿程流动阻力相同，进入溢流管的液体更加均匀；如果导流孔按正三角形或菱形方式排列时，则溢流管上同层溢流孔的大小建议不同，距导流管近的溢流孔尺寸小，距导流管远的溢流孔尺寸大，且与距导流管的距离成反比关系，用控制溢流孔大小的方法来平衡液体在分配盘上的沿程流动阻力差，使得进入溢流管的液体更加均匀。

作为进一步的改进，溢流管内每层溢流孔下方设置集液盘，集液盘为凹形平底圆盘，以突出的凹边与溢流管管壁固定连接，集液盘盘底均布分配孔，供气液两相通过。

所述集液盘四周高，中间低，呈凹形，这样设置的目的是将从溢流孔中进入的液相全部引流进入集液盘，避免液相沿溢流管内壁向下流动，从根本上避免了溢流管内的壁流现象。集液盘上按正方形或正三角形或环形均匀分布若干分配孔，供气液两相通过。分配孔可以为圆孔也可为条缝或其它任何形状，从加工方便的角度，宜为圆孔。开圆孔时，开孔直径一般为2～20mm。为加大气液两相在溢流管内的行程，上下相邻两层集液盘的分配孔呈交错排列，即下层集液盘的分配孔对应于上层集液盘未开孔部分的中心区域。通过一层或两层或多层集液盘，气液两相接触时间长，促进氢气在液相中的溶解，同时避免了溢流管管内壁流现象。

作为更进一步改进，在分配盘下方固定有与溢流管同轴设置的分散器，分散器可采用不同的结构：

结构之一：分散器包括一圆锥形分散板,分散板大端朝上固定于分配盘下方，小端敞口。分散板大端直径宜为溢流管直径的1.3～3倍，锥角角度为70～160度，小端直径宜为溢流管直径的0.4～1.2倍。

作为进一步的方案，为解决液相流量较小、液相粘度较高时造成的液相在溢流管中集中于外缘、分散效果差的情况，在分散板上从分配盘往下30～75％的位置处设置有二次分散板；二次分散板伸入分散板内部，伸入位置位于溢流管投影55～90％的直径范围内。二次分散板同样为圆锥形，其小端朝上，大端朝下。为使得溢流管中流出的气液两相从二次分散板上顺利通过，二次分散板和分散板交叉处上方的分散板上设置有一圈分流孔，用于引导气液两相沿二次分散板进一步分散，分流孔可以为圆孔，也可以为槽缝。二次分散板伸出分散板的区域可开一层或两层或多层分散孔，从便于制造的角度，分散孔宜为圆孔，分散孔直径为3～30mm，当然，分散孔也可以为槽缝等其它形状。在分散板和二次分散板的共同作用下，可把溢流管中偏外缘的液位收集、导流、分散，增大气液两相的扩散面积，解决溢流效果差造成的液相集中、分配不均匀等问题，使得气液两相分布更均匀，分配装置下方的催化剂床层能均匀接收到的气液两相，具有压降小、喷洒面积大、喷洒均匀的优点。

结构之二：分散器为筛网状，是由连接条、导流条和围板固定连接而成的整体，导流条和围板均固定于连接条下方；围板与溢流管同轴心，将导流条边缘固定且形成闭合圈体。一般情况下，分散器整体上为正方形或圆形，通过支撑筋固定于分配盘下方，起到将溢流管流下的液相均匀、精准的分配到溢流管下方的催化剂床层中的作用。

所述连接条可以为圆柱体、长方体或其它任意形状，连接条数量以3～15条为宜。

所述导流条的截面形状可以为长方形、圆形或三角形，导流条间距以5～40mm为宜。从便于导流的方案考虑，导流条截面推荐采用三角形截面。此种分散结构充分利用液体壁流的特性，利用液体在连接条和导流条的壁流特性，将从溢流管中流下的液相进行二次分布；一方面通过连接条的导流作用实现横向的导流，另一方面通过导流条的导流作用实现纵向的导流，并且，液体可以通过导流条与连接条之间的间隙直接进入下方的催化剂床层，实现了液相的雾化和破碎。

作为改进的方案，导流条长度方向上可以开槽，槽的形状可以为V形槽或矩形槽，利用液相在结构不连续处滴下的原理，实现液相的精准滴流。作为这种方案的另一种选择，可以在导流条上焊接导流柱，液相通过导流柱实现滴流分配。导流柱可以为长方体、圆柱体、四面体或圆锥形等形状。

作为进一步的方案，为解决溢流管内液相射流效果差、液相沿溢流管径向向内液相逐渐减少的情况，分散器的截面可以做成V形，V形夹角为140度～175度为宜。液体一方面通过分散结构的分散作用实现滴流分配，另外利用液相的重力，将溢流管管径方向上的液相实现二次分配，促进液相在溢流管下方向中心位置分配。为利于液相向溢流管中心分配，此种方案导流条的间距宜为从分散器外缘至中心逐渐增大的方案。

作为更进一步的方案，为增大分散器的分配面积，分散器的截面可以做成双波纹形，两个波峰之间的V形夹角为150度～170度为宜。波峰位于溢流管投影50～90％直径范围内，利用两个波峰的设置，可以使液相向两边和中间分散，在均匀分散的同时增大分散面积。此种分散结构时，导流条的间距宜为靠近波峰处间距小，靠近波谷处间距大的方案。

所述围板面积不宜超过溢流管面积的4倍。

本发明的工作过程为：

自上方流下的气液两相收集于分布板上，气液两相通过分布板上的导流孔，在导流管的导流作用下，全部收集于分配盘上、溢流管之外。由于重力差，气相积聚于上方，从溢流管上端进入溢流管中；液相沉积于分配盘上，待积聚到一定液高后，在压差的作用下，经溢流孔进入溢流管中。液相经过溢流孔时，由于溢流孔流通面积小，流速增加，形成喷射流，在惯性的作用下喷射到集液盘上。当然也有部分液相进入溢流管后会沿溢流管内壁流动，在四周高、中间低的集液盘的收集作用下，液相全部收集到集液盘上。气液两相通过集液盘上的分配孔离开溢流管后，经分散器的进一步分散，实现气液两相的充分接触、均匀分配。

本发明具有如下有益效果：

1)通过分布板和溢流管的相对位置关系，分布板可起到阻止上部液相直接进入溢流管的作用，同时在分布板上导流管的导流作用下，可确保上部液相全部收集在分配盘上，全部液相须经溢流管上的液相通道进入溢流管，消除上部液相的不均匀带来的下部液相分配不均匀现象。相比于目前常用的将溢流管逐个进行封堵的方案，分布板在同样可以实现阻挡上部液相直接进入溢流管的目的时，加工量小，制造周期短，成本低。

2)所有液相物料全部收集在分配盘上再进行分配，避免了不均匀的进料导致的分配不均匀；

3)气液两相接触时间长，促进气相在液相中的溶解，同时有效避免了溢流管内壁流现象；

4)气相雾化液相能力好、气液两相分散面积大、分散液滴小、分散均匀，有助于加氢反应的平稳运行。

5)结构简单、加工方便。

附图说明

图1是本发明气液分配装置的一种结构示意图；

图2是图1中分布板的结构示意图；

图3是图1中二次分散板的结构示意图；

图4是本发明中的分散器为筛网状时的一种结构示意图；

图5是图4中的分散器的俯视结构示意图；

图6是本发明中的分散器为筛网状时的另一种结构示意图；

图7是本发明中的分散器为筛网状时的又一种结构示意图；

图8是本发明的导流条开槽的结构示意图；

图9是本发明的导流条下方设置导流柱的结构示意图。

图中：1-反应器器壁，2-分布板，3-导流管，4-分配盘，5-溢流管，6-溢流孔，7-集液盘，8-分配孔，9-分散板，10-二次分散板，11-分散孔，12-分流孔，13-导流孔，14-连接条，15-导流条，16-围板，17-支撑筋，18-导流柱。

具体实施方式

如图1～3所示，本发明提供的气液分配装置包括反应器器壁1及沿反应器器壁自上而下设置的分布板2、导流管3、溢流管5、分配盘4、固定于分配盘4下方且与溢流管5同轴设置的分散器；分布板2为平板，形状与反应器截面形状一致，支撑于反应器器壁1上，板上开设圆形导流孔13，导流孔13按正方形方式排列；导流孔13内安装导流管3，导流管形状与导流孔一致，导流管上下两端均突出于分布板1上下表面；溢流管5为两端敞口的圆管，其下端固定于分配盘4的安装孔上，其管壁上沿周向均匀开设一层或两层或多层圆形溢流孔6作为液相通道；溢流管5上端为自由端，位于分布板1下方，正对着分布板上各导流孔之间未开孔区域的中心处并被所述的未开孔区域完全遮挡。

溢流管5上的溢流孔6正对导流管3的轴线位置。溢流管6上同层溢流孔6大小相同。溢流管5内每层溢流孔6下方设置集液盘7，集液盘7为凹形平底圆盘，以突出的凹边与溢流管5管壁固定连接。集液盘7上按正方形或正三角形或环形均匀分布若干分配孔8，供气液两相通过。相邻两层集液盘7的分配孔8呈交错排列，即下层集液盘7的分配孔8对应于上层集液盘7未开孔部分的中心区域。

固定于分配盘4下方且与溢流管5同轴设置的分散器包括一圆锥形分散板9和二次分散板10,分散板9大端朝上固定于分配盘4下方，小端敞口。分散板9大端直径宜为溢流管5直径的1.3～3倍，锥角角度为70～160度，小端直径宜为溢流管5直径的0.4～1.2倍。二次分散板10设于分散板9上从分配盘4往下30～75％的位置处；二次分散板10伸入分散板9内部，伸入位置位于溢流管5投影55～90％的直径范围内。二次分散板10同样为圆锥形，其小端朝上，大端朝下。二次分散板10和分散板9交叉处上方的分散板9上设置有一圈分流孔12，用于引导气液两相沿二次分散板10进一步分散。二次分散板10伸出分散板9的区域开设分散孔11，分散孔11为圆孔，直径为3～30mm。

如图4和图5所示，固定于分配盘4下方且与溢流管5同轴设置的分散器为筛网状，是由连接条14、导流条15和围板16固定连接而成的整体，导流条15和围板16均固定于连接条14的下方；围板16与溢流管5同轴心，将导流条15边缘固定且形成闭合圈体。分散器整体上为圆形，通过支撑筋17固定于分配盘4下方，导流条15的截面为长方形截面，导流条15间距以5～40mm为宜。

如图6所示，与图4不同之处在于：分散器的截面呈V形，导流条15的截面为三角形截面，V形夹角为140度～175度。导流条15的间距宜采用从分散器外缘至中心逐渐增大的方案。

如图7所示，与图4不同之处在于：分散器的截面呈双波纹形，导流条15的截面为三角形截面。两个波峰之间的V形夹角为150～170度。波峰位于溢流管5投影50～90％直径范围内。导流条15的间距宜采用靠近波峰处间距小，靠近波谷处间距大的方案。

如图8所示，导流条15长度方向上可以开槽，槽的形状可以为V形槽或矩形槽，利用液相在结构不连续处滴下的原理，实现液相的精准滴流。作为这种方案的另一种选择，如图9所示，可以在导流条15上焊接导流柱18，液相通过导流柱18实现滴流分配。

本发明的工作过程为：如图1所示，自上方流下的气液两相收集于分布板上1，在导流管3的导流作用下，全部收集于分配盘4上、溢流管5之外的反应器内空间。由于重力差，气相积聚于上方，从溢流管5上端进入溢流管5中；液相沉积于分配盘4上，待积聚到一定液高后，在压差的作用下，经溢流孔6进入溢流管5中。液相经过溢流孔6时，由于溢流孔6流通面积小，流速增加，形成喷射流，在惯性的作用下喷射到集液盘7上。当然也有部分液相进入溢流管5后会沿溢流管5内壁流动，在四周高、中间低的集液盘7的收集作用下，液相全部收集到集液盘7上。气液两相通过集液盘上的分配孔8离开溢流管后，经固定于分配盘4下方且与溢流管5同轴设置的分散器的进一步分散，实现气液两相的充分接触、均匀分配。

Claims (17)

1.一种气液分配装置，其特征在于：包括反应器器壁及沿反应器器壁自上而下设置的分布板、溢流管和分配盘；分布板为平板，形状与反应器截面形状一致，支撑于反应器器壁上，板上开设导流孔；溢流管为两端敞口的圆管，其下端固定于分配盘的安装孔上，其管壁上沿周向均匀开设一层或多层溢流孔作为液相通道；溢流管上端为自由端，位于分布板下方，正对着分布板上各导流孔之间未开孔区域的中心处并被所述的未开孔区域完全遮挡；所述分布板上导流孔内安装导流管，导流管形状与导流孔一致，导流管上下两端均突出于分布板上下表面。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述溢流孔设置为多层，上下相邻两层溢流孔交错排布。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述溢流孔沿溢流管管壁从上至下开孔尺寸逐层减小。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述溢流管内每层溢流孔下方设置集液盘，集液盘为凹形平底圆盘，以突出的凹边与溢流管管壁固定连接，集液盘盘底均布分配孔。

5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述溢流管内每层溢流孔下方设置集液盘，集液盘为凹形平底圆盘，以突出的凹边与溢流管管壁固定连接，集液盘盘底均布分配孔，上下相邻两层集液盘的分配孔呈交错排列，即下层集液盘的分配孔对应于上层集液盘未开孔部分的中心区域。

6.根据权利要求1～5任一所述的装置，其特征在于：所述分配盘下方固定有与溢流管同轴设置的分散器。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：所述分散器包括一圆锥形分散板,分散板大端朝上固定于分配盘下方，小端敞口。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：所述分散板上设有二次分散板，二次分散板伸入分散板内部，二次分散板同样为圆锥形，其小端朝上，大端朝下，二次分散板和分散板交叉处上方的分散板上设置有一圈分流孔，二次分散板伸出分散板的区域开设一层或多层分散孔。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：所述二次分散板设于分散板上从分配盘往下30～75％的位置处。

10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：所述二次分散板伸入分散板内部的伸入位置位于溢流管投影55～90％的直径范围内。

11.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：所述分散器为筛网状，是由连接条、导流条和围板固定连接而成的整体，导流条和围板均固定于连接条的下方；围板与溢流管同轴心，将导流条边缘固定且形成闭合圈体。

12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于：所述分散器整体上为正方形或圆形截面，通过支撑筋固定于分配盘下方。

13.根据权利要求11所述的装置，其特征在于：所述导流条的截面形状为长方形、圆形或三角形。

14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于：所述导流条长度方向上开槽，槽的形状为V形槽或矩形槽。

15.根据权利要求11所述的装置，其特征在于：所述导流条上焊接有导流柱。

16.根据权利要求11所述的装置，其特征在于：所述分散器的截面呈V形，导流条的间距从分散器外缘至中心逐渐增大。

17.根据权利要求11所述的装置，其特征在于：所述分散器的截面呈双波纹形，导流条的间距为靠近波峰处间距小，靠近波谷处间距大。

Images